Fysiker vid MIT och Harvard University har visat ett nytt sätt att manipulera kvantbitar av materia. I ett papper publicerat idag i tidningen Natur , de rapporterar med hjälp av ett system med finstämda lasrar för att först fånga och sedan justera interaktionerna mellan 51 enskilda atomer, eller kvantbitar.

Lagets resultat representerar en av de största uppsättningarna kvantbitar, känd som qubits, som forskare har kunnat styra individuellt. I samma nummer av Natur , ett team från University of Maryland rapporterar ett system av liknande storlek som använder instängda joner som kvantbitar.

I MIT-Harvard-metoden, forskarna genererade en kedja med 51 atomer och programmerade dem att genomgå en kvantfasövergång, där varannan atom i kedjan var upphetsad. Mönstret liknar ett tillstånd av magnetism som kallas en antiferromagnet, där varvtalet för varje annan atom eller molekyl är i linje.

Teamet beskriver 51-atomars matris som inte en generisk kvantdator, som teoretiskt sett skulle kunna lösa alla beräkningsproblem som ställs till den, men en "kvantsimulator" - ett system med kvantbitar som kan utformas för att simulera ett specifikt problem eller lösa för en viss ekvation, mycket snabbare än den snabbaste klassiska datorn.

Till exempel, laget kan omkonfigurera atommönstret för att simulera och studera nya tillstånd av materia och kvantfenomen som tillträde. Den nya kvantsimulatorn kan också vara grunden för att lösa optimeringsproblem, till exempel resande säljare, där en teoretisk säljare måste räkna ut den kortaste vägen att ta för att besöka en given lista över städer. Små variationer av detta problem förekommer inom många andra forskningsområden, såsom DNA -sekvensering, flytta en automatiserad lödspets till många lödpunkter, eller dirigera datapaket genom bearbetningsnoder.

"Detta problem är exponentiellt svårt för en klassisk dator, vilket betyder att det kan lösa detta för ett visst antal städer, men om jag ville lägga till fler städer, det skulle bli mycket svårare, väldigt snabbt, "säger studieförfattaren Vladan Vuleti ?, Lester Wolfe professor i fysik vid MIT. "För den här typen av problem, du behöver inte en kvantdator. En simulator är tillräckligt bra för att simulera rätt system. Så vi tror att dessa optimeringsalgoritmer är de mest enkla uppgifterna att uppnå. "

Verket utfördes i samarbete med Harvard -professorerna Mikhail Lukin och Markus Greiner; MIT-gästforskaren Sylvain Schwartz är också medförfattare.

Separat men interagerar

Kvantdatorer är till stor del teoretiska enheter som potentiellt kan utföra oerhört komplicerade beräkningar på en bråkdel av tiden som det skulle ta för världens mest kraftfulla klassiska dator. De skulle göra det genom qubits - databehandlingsenheter som, till skillnad från de binära bitarna på klassiska datorer, kan vara samtidigt i positionen 0 och 1. Denna kvantegenskap av superposition gör att en enda qubit kan utföra två separata beräkningsströmmar samtidigt. Att lägga till ytterligare qubits i ett system kan exponentiellt påskynda datorns beräkningar.

Men stora vägspärrar har hindrat forskare från att inse en fullt fungerande kvantdator. En sådan utmaning:hur man får qubits att interagera med varandra samtidigt som de inte engagerar sig i sin omgivande miljö.

"Vi vet att saker blir klassiska mycket lätt när de interagerar med miljön, så du behöver [qubits] för att vara superisolerad, "säger Vuleti? som är medlem i Research Laboratory of Electronics och MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. "Å andra sidan, de måste starkt interagera med en annan qubit. "

Vissa grupper bygger kvantsystem med joner, eller laddade atomer, som qubits. De fångar eller isolerar jonerna från resten av miljön med hjälp av elektriska fält; en gång instängd, jonerna interagerar starkt med varandra. Men många av dessa interaktioner stöter starkt bort, liknande magneter med liknande orientering, och är därför svåra att kontrollera, särskilt i system med många joner.

Andra forskare experimenterar med supraledande qubits - konstgjorda atomer som tillverkats för att bete sig kvantiskt. Men Vuleti? säger att sådana tillverkade qubits har sina nackdelar jämfört med de som baseras på faktiska atomer.

"Per definition, varje atom är densamma som varje annan atom av samma art, "Vuleti? Säger." Men när du bygger dem för hand, då har du tillverkningspåverkan, som lite olika övergångsfrekvenser, kopplingar, etc."

Inställning av fällan

Vuleti? och hans kollegor kom med ett tredje tillvägagångssätt för att bygga ett kvantsystem, använda neutrala atomer - atomer som inte har någon elektrisk laddning - som qubits. Till skillnad från joner, neutrala atomer stöter inte bort varandra, och de har i sig identiska egenskaper, till skillnad från tillverkade supraledande qubits.

I tidigare arbeten, gruppen kom på ett sätt att fånga enskilda atomer, genom att använda en laserstråle för att först kyla ett moln av rubidiumatomer till nära noll temperaturer, sakta ner deras rörelse till nästan stillastående. De använder sedan en andra laser, delas upp i mer än 100 balkar, att fånga och hålla enskilda atomer på plats. De kan avbilda molnet för att se vilka laserstrålar som har fångat en atom, och kan stänga av vissa strålar för att kasta dessa fällor utan en atom. De ordnar sedan om alla fällor med atomer, att skapa en beställd, defektfritt antal qubits.

Med denna teknik, forskarna har kunnat bygga en kvantkedja med 51 atomer, alla instängda i sitt marktillstånd, eller lägsta energinivå.

I deras nya tidning, teamet rapporterar att det går ett steg längre, för att kontrollera interaktionen mellan dessa 51 fångade atomer, ett nödvändigt steg mot att manipulera enskilda qubits. Att göra så, de stängde tillfälligt av laserfrekvenserna som ursprungligen spärrade atomerna, så att kvantsystemet kan utvecklas naturligt.

De exponerade sedan det utvecklande kvantsystemet för en tredje laserstråle för att försöka excitera atomerna till det som kallas ett Rydberg -tillstånd - ett tillstånd där en av atomens elektroner exciteras till en mycket hög energi jämfört med resten av atomens elektroner. Till sist, de vände tillbaka atomsträngande laserstrålar för att upptäcka de slutliga tillstånden för de enskilda atomerna.

"Om alla atomer börjar i grundtillståndet, det visar sig när vi försöker sätta alla atomer i detta upphetsade tillstånd, det tillstånd som framträder är ett där varannan atom är upphetsad, "Vuleti? Säger." Så atomerna gör en kvantfasövergång till något som liknar en antiferromagnet. "

Övergången sker endast i varannan atom på grund av det faktum att atomer i Rydberg -stater interagerar mycket starkt med varandra, och det skulle ta mycket mer energi att excitera två närliggande atomer till Rydberg -staterna än lasern kan ge.

Vuleti? säger att forskarna kan ändra interaktionen mellan atomer genom att ändra arrangemanget av instängda atomer, liksom frekvensen eller färgen på den atomspännande laserstrålen. Vad mer, systemet kan enkelt utökas.

"Vi tror att vi kan skala upp det till några hundra, "Vuleti? Säger." Om du vill använda detta system som en kvantdator, det blir intressant i storleksordningen 100 atomer, beroende på vilket system du försöker simulera. "

Tills vidare, forskarna planerar att testa 51-atomsystemet som en kvantsimulator, specifikt om vägplaneringsoptimeringsproblem som kan lösas med hjälp av adiabatisk kvantberäkning-en form av kvantberäkning som först föreslogs av Edward Farhi, Cecil och Ida Green professor i fysik vid MIT.

Adiabatisk kvantberäkning föreslår att ett kvantsystems grundtillstånd beskriver lösningen på problemet med intresse. När det systemet kan utvecklas för att producera själva problemet, systemets slutläge kan bekräfta lösningen.

"Du kan börja med att förbereda systemet i ett enkelt och känt tillstånd med lägsta energi, till exempel alla atomer i deras grundtillstånd, deformera sedan det långsamt för att representera det problem du vill lösa, till exempel, problemet med resande säljare, "Vuleti? Säger." Det är en långsam förändring av vissa parametrar i systemet, vilket är exakt vad vi gör i detta experiment. Så vårt system är inriktat på dessa adiabatiska kvantberäkningsproblem. "